Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm

Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 5
cho vật để hoá hơi ẩm lỏng, đồng thời phải tải ẩm đã thoát ra khỏi vật ra khỏi buồng sấy.
Người ta sử dụng tác nhân sấy làm nhiệm vụ này. Các tác nhân sấy thường là các chất khí
như không khí, khói, hơi quá nhiệt. Chất lỏng cũng được sử dụng làm tác nhân sấy như
các loại dầu, một số loại muối nóng chảy v.v Trong đa số quá trình sấy, tác nhân sấy
còn làm nhiệm v
ụ gia nhiệt cho vật liệu sấy, vừa làm nhiệm vụ tải ẩm. Ở một số quá trình
như sấy bức xạ, tác nhân sấy còn có nhiệm vụ bảo vệ sản phẩm sấy khỏi bị quá nhiệt. Sau
đây, chúng ta sẽ nghiên cứu hai loại tác nhân sấy thông dụng là không khí và khói.

1.2.1 KHÔNG KHÍ ẨM: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG
Không khí là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không
gây bẩn sản phẩm sấy. Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau. Thành phần
của không khí bao gồm các chất, chủ yếu là N
2
, O
2
, hơi nước, ngoài ra còn có 1 số chất
khí khác như: CO
2
, khí trơ, H
2
, O
3
Không khí là một khí thực, nhưng thực tế không khí
sử dụng để sấy thường ở áp suất thấp (áp suất khí quyển) và nhiệt độ không cao (từ hàng
chục độ đến dưới vài trăm độ). Vì vậy, khi sử dụng có thể coi không khí là khí lý tưởng,
mặc dù trong không khí có chứa hơi nước, nhưng áp suất riêng phần của nó không lớn.
Trong các điều kiện như trên, khi coi không khí là khí lý tưởng thì sai số gặp phải là chấp
nhậ
n được (<3%).
Không khí có chứa hơi nước là không khí ẩm. Khi nghiên cứu không khí ẩm,
người ta coi nó là hỗn hợp khí lý tưởng của 2 thành phần: không khí khô và hơi nước. Ở
đây không khí khô được coi như là thành phần cố định như 1 chất khí lý tưởng (M =29
và số nguyên tử khí trong phân tử là 2). Thành phần thứ 2: hơi nước là thành phần luôn
thay đổi trong không khí ẩm. Các thông số cơ bản của không khí ẩm như sau:
1.2.1.1 Áp suất
Theo định luật Dalton ta có:
P = P
KKK
+ P
hn

Ở đây: P: áp suất của không khí ẩm
PKKK: áp suất riêng phần của không khí khô
Phn: áp suất riêng phần của hơi nước
1.2.1.2 Nhiệt độ
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 6
Nhiệt độ xác định độ đun nóng của vật thể. Trong lĩnh vực sấy, nhiệt độ được đo
theo nhiệt độ Celcius (
o
C) hoặc độ Fahreinhei (
o
F). Dụng cụ để đo nhiệt độ là nhiệt kế.

1.2.1.3 Độ ẩm tuyệt đối: là lượng hơi nước (tính bằng g hoặc kg) chứa trong 1 m3 không
khí ẩm, tức là:
V
m
hn
=ρ

ρ thay đổi từ 0 đến ρ
max
, khi nhiệt độ của không khí ẩm thay đổi thì ρ
max
cũng thay đổi.

1.2.1.4 Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm với
lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm đó ở cùng một nhiệt độ.
Hay nói cách khác: độ ẩm tương đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối trên độ ẩm tuyệt
đối lớn nhất ứng với nhiệt độ nào đó củ
a không khí ẩm.

max
h
max.hn
hn
%100
m
m
ρ
ρ
==ϕ

Độ ẩm tương đối là thông số quan trọng của không khí ẩm, nó là đại lượng đặc
trưng khả năng hút ẩm của không khí. Giá trị tuyệt đối của độ ẩm tương đối càng nhỏ thì
điều kiện cân bằng càng khác nhau, khả năng sấy của không khí càng lớn.
Độ ẩm tương đối của không khí phụ thuộc vào nhiệt độ.
Áp dụng phương trình trạng thái ta có:

)m/kg(
TR
P
1
3
h
h
h
h
=
υ
=ρ


)m/kg(
TR
P
1
3
h
b
b
max
=
υ
=ρ

⇒
%100
P
P
%100
b
h
max
h
=
ρ
ρ
=ϕ


1.2.1.5 Độ chứa ẩm d (hay hàm ẩm X) của không khí ẩm:
Là lượng hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô.
Do khối lượng của hơi nước ít nên người ta thường dùng thứ nguyên là (g/kg
KKK)
[]
kgKKK/g1000
m
m
d
KKK
hn
=
hoặc
[]
kgKKK/kg
m
m
X
KKK
hn
=

Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 7
Áp dụng phương trình trạng thái với R
hn
=8314/18 [J/kgK] và R
KKK
=8314/29[J/kgK], ta có:
h
h
KKK
h
PP
P
622
P
P
622d
−
==

1.2.1.6 Khối lượng riêng của không khí ẩm
Không khí ẩm được coi là hỗn hợp của không khí khô và hơi nước:
ρ
hh
= ρ
KKK
+ ρ
hn

Trong đó: ρ
hn
= X. ρ
KKK
. Vậy, ρ
hh
= ρ
KKK
(1+X)
Ở điều kiện bình thường P
KKK
=P; t = 273
o
K thì ρ
KKK
=1,29 kg/m3
Áp dụng phương trình trạng thái khí, ta có:

[ ]
3
hh
m/kg
P
Phn
378,01
t273
273*29,1
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
+
=ρ

Công thức trên chứng tỏ rằng: khối lượng riêng của không khí ẩm phụ thuộc vào 2
thông số thay đổi trong quá trình sấy là nhiệt độ và áp suất riêng phần của hơi nước. Khi
áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí tăng lên thì ρ
hh
giảm đi, nhưng trong quá
trình sấy nhiệt độ của quá trình sấy giảm xuống nhanh hơn tốc độ tăng của áp suất riêng
phần (theo công thức) nên đưa đến việc ρ
hh
tăng rõ rệt hơn và kết quả là khối lượng
riêng của không khí ẩm tăng lên trong quá trình sấy (Hoàng Văn Chước, 1999).

1.2.1.7 Nhiệt dung riêng của không khí ẩm
Khi đã coi không khí ẩm là hỗn hợp của khí lý tưởng thì có thể xác định nhiệt
dung riêng của không khí ẩm theo công thức nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng,
tức là:

X1
C.XC
C
hnKKK
hh
+
+
=

Ở đây: C
KKK
: nhiệt dung riêng của không khí khô, ở nhiệt độ t
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 8
1.2.2 KHÓI LÒ (KHÍ LÒ ĐỐT)
1.2.2.1 Nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò


Hình vẽ 1.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò.

Ưu điểm sấy bằng khói lò:
- có thể điều chỉnh nhiệt độ môi chất sấy trong một khoảng rất rộng; có thể sấy ở
nhiệt độ rất cao 900-1000
o
C và ở nhiệt độ thấp 70-90
o
C hoặc thậm chí 40-50
o
C.
- cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt.
- đầu tư vốn ít vì không phải dùng calorife.
- giảm tiêu hao điện năng, do giảm trở lực hệ thống.
- nâng cao được hiệu quả sử dụng nhiệt của thiết bị.
Nhược điểm:
- gây bụi bẩn cho sản phẩm và thiết bị.
- có thể gây hoả hoạn hoặc xảy ra các phả
n ứng hoá học không cần thiết ảnh hưởng
xấu đến chất lượng sản phẩm.
Trong công nghiệp thực phẩm khói lò thường ít được sử dụng. Trong một số
trường hợp người ta có thể dùng để sấy một số hạt nông sản. Ngoài ra người ta còn có thể
sử dụng khí tự nhiên làm chất đốt, vì khói tạo thành tương đối sạch, tuy nhiên do thành
phần khói vẫn có hàm lượng ẩm và khí oxit nitơ cao (dễ
gây ung thư), nên cần phải tiếp
tục được làm sạch trước khi sử dụng để sấy thực phẩm.
Tác nhân
Buồng hoà trộn
Khói
Nhiên liệu
Không khí
Không khí
Khí thải
Buồng sấy
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 9
1.3 QUAN HỆ GIỮA VẬT LIỆU ẨM VÀ KHÔNG KHÍ CHUNG QUANH
1.3.1 Độ ẩm cân bằng
Nếu ta có một vật ẩm đặt trong môi trường không khí ẩm sẽ xảy ra sự trao đổi
nhiệt, ẩm giữa vật ẩm và môi trường không khí. Quá trình trao đổi nhiệt phụ thuộc vào sự
chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và vật, còn quá trình trình trao đổi ẩm phụ thuộc vào
chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vậ
t và của hơi nước trong không
khí ẩm. Nếu áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm lớn hơn áp suất riêng phần trong
không khí sẽ xảy ra quá trình bay hơi từ vật ẩm, độ ẩm của vật giảm đi (vật liệu khô hơn).
Nếu ngược lại, áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm nhỏ hơn ấp suất riêng phần trong
không khí thì vật liệu ẩm sẽ h
ấp thụ ẩm, độ ẩm tăng lên.Trong cả hai trường hợp áp suất
riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật ẩm sẽ tiến dần tới trị số áp của riêng phần của
hơi nước trong không khí ẩm. Khi hai trị số áp suất riêng phần này bằng nhau thì vật và
môi trường ở trạng thái cân bằng ẩm. Lúc này vật không hút ẩm cũng không thải ẩm. Độ
ẩm của v
ật lúc này gọi là độ ẩm cân bằng W
cb
. Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào áp suất
riêng phần của hơi nước trong không khí, tức là phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của
không khí ϕ. Quan hệ hàm số: W
cb
=f(ϕ) có thể được xác định bằng thực nghiệm và được
gọi là đường đẳng nhiệt. Đối với quá trình hút ẩm từ môi trường, đường cong W
cb
=f(ϕ)
gọi là đường hấp thụ đẳng nhiệt. Đối với quá trình bay hơi ẩm từ vật, đường cong xây
dựng được là đường thải ẩm đẳng nhiệt (hình vẽ 1.1). Ngoài ra, độ ẩm cân bằng còn phụ
thuộc vào thành phần hoá học, liên kết ẩm và mức độ nào đó vào trạng thái của nguyên
liệu thực phẩm. Đa số sản phẩm thực phẩm khi nhiệt độ t
ăng thì W
cb
giảm. Thời gian
truyền ẩm đến cân bằng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, độ ẩm của không khí
và vật ẩm, tốc độ của không khí, cấu trúc của vật ẩm.
Độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn trong việc chọn chế độ sấy thích hợp cho từng loại
sản phẩm thực phẩm. Người ta thường chọn độ ẩm cu
ối cùng của sản phẩm sấy bằng độ
ẩm cân bằng của sản phẩm đó đối với giá trị trung bình cuả độ ẩm tương đối không khí
trong bảo quản.
1.3.2 Độ ẩm tới hạn Wth
Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tương đối ϕ =
100% gọi là độ ẩm tới hạn W
th
. Độ ẩm này là giới hạn của quá trình hấp thụ ẩm của vật
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 10
hay là giới hạn của độ ẩm liên kết. Sau đó muốn tăng độ ẩm của vật phải nhúng vật vào
trong nước hoặc có nước ngưng tụ trên bề mặt vật. Ẩm thâm nhập vào vật sau này gọi là
ẩm tự do (hình vẽ 1.2). Trên đường cong vận tốc sấy, W
th
là điểm uốn giữa giai đoạn vận
tốc sấy không đổi và giai đoạn vận tốc sấy thay đổi.
Độ ẩm tới hạn được xác định bằng cách đo độ ẩm cân bằng của vật liệu với không
khí bao quanh vật thể đó có độ ẩm tương đối 100 %, hoặc bằng đường cong hấp thụ đẳng
nhiệt của vật thể.
Độ ẩm tới hạn của nguyên liệu hoặc sản phẩm càng lớn thì khả năng
hút ẩm càng lớn khi bảo quản trong không khí ẩm

0
W
100 %
W
0
ϕ
Ẩm liên kết
Ẩm

tự do
Ẩm có thể thải ra
Ẩm không
thể thải ra
Vùng hấp thụ Vùng sấy
ϕ
100 %
Hình vẽ 1.1: Đường cong hấp thụ
và thải ẩm đẳng nhiệt.
Hình vẽ 1.2: Trạng thái tương tác
giữa ẩm và môi trường
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 11
CHƯƠNG II : CƠ SỞ KỸ THUẬT SẤY
2.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA MÁY SẤY
m : năng suất các dạng vật chất qua máy sấy [kg/h]
X : độ ẩm của không khí [kg hơi nước/kg KKK]
L : khối lượng không khí khô [kg/h]
G : khối lượng sản phẩm sấy [kg/h]
W : khối lượng ẩm của sản phẩm sấy [kg/h]



m
G
+ m
W
+ m
L
(1 + X
1
) = m
G
+ m
L
(1 + X
3
) (2.1)
m
G
.i
Gv
+ m
W
.i
Wv
+ m
L
.i
1
+ Q + Q
bs
= m
G
.i
Gr
+ m
L
.i
3
+ Q
tt
(2.2)
2.2 MÁY SẤY LÝ THUYẾT
Với máy sấy lý thuyết người ta giả thiết rằng :
- Nhiệt cho qúa trình sấy là do bộ phận đun nóng cung cấp.
- Trong máy sấy không có bộ đun nóng bổ sung : Q
bs
=0
- Bỏ qua tổn thất nhiệt : Q
tt
=0
- Hàm nhiệt của sản phẩm sấy và thiết bị vận chuyển không thay đổi trong quá trình
sấy : i
Gv
= i
Gr

- Nhiệt liên kết của nước (ẩm trong vật liệu) không đáng kể : i
Wv
= 0
Khi đó :
Không khí sau khi đun nóng

m
L
, X
2
, t
2
, i
2
Sản phẩm ướt

m
G
, m
W,
i
Gv

Q
bs
Sản phẩm khô


m
G
,

i
Gr

Q
Không khí trước khi sấy
m
L
, X
1
, t
1
, i
1

Máy sấy
Không khí sau khi sấy : m
L
, X
3
, t
3
, i
3
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 12

13W
L
xx
1
l
m
m
−
==
(2.3)

l : nhu cầu riêng về không khí [kg KK/kg nước bốc hơi]

13
13
w
L
Lw
xx
ii
q
m
m
x
m
Q
m
Q
−
−
===
(2.4)
q : nhu cầu riêng về nhiệt [kcal/kg nước bốc hơi].
Có thể viết theo dạng q = di/dx.
2.3 SỬ DỤNG BIỂU ĐỒ I-X TRONG TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY
2.3.1 Mô tả quá trình sấy trong đồ thị i-X đối với không khí ẩm
- Cấu tạo của đồ thị i –X

- Xác định trạng thái không khí ẩm
- Xác định nhiệt độ điểm sương
Hình 2.1 : Biểu đồ I – X của không khí ẩm
X
i
t = const
ϕ = const
ϕ = 1
X= const
P
h
, mm Hg
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 13
2.3.2 Tính toán cho máy sấy một cấp

- Đoạn 1-3 : tiêu tốn nhiệt q tính theo phương trình q = di/dx, giá trị của nó có thể đọc
trực tiếp từ đồ thị i-X theo đường song song với đường 1-3 qua trục tương ứng của đồ thị
i-X.
- Nhu cầu nhiệt : chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và cuối của quá trình.
- Để không khí sấy tiếp nhận một lượng ẩm cao hơn (X
3
’ - X
1
) thì người ta cần phải đun
nóng không khí ở nhiệt độ cao hơn (t’
2
> t
2
) và nhu cầu nhiệt q cũng phải lớn hơn tức là
đoạn thẳng 1-3’.

2.3.3 Máy sấy nhiều cấp

X
(3)
(1)
(2)
Q
(5)
(4)
sản
phẩm
Q
bs
Hình 2.3 : Sơ đồ máy sấy nhiều cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ thị i-X
X
5,
X
3
’
1
X
3
’

t
2
3
’

3

2
’
2

t
3
t
1
X
3
X
1

x
(3)
(1)
(2)
Q
i
i = const
Hình 2.2 : Sơ đồ máy sấy 1 cấp và biểu diễn của quá trình sấy trên đồ thị i-X
t
2
3
’
(3)

2
’
(2)
t
3
X
1
i
(1)

(4)
(5)
Giáo án Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm Trang 14


Nhu cầu nhiệt riêng sẽ được tính theo công thức :

1
'
3
1
'
3
15
15
xx
ii
xx
ii
q
−
−
=
−
−
=
(2.5)
So sánh với máy sấy một cấp :
- Nhu cầu nhiệt bằng nhau nếu độ ẩm ban cuối của không khí sấy giống nhau, trong khi
nhiệt độ đun nóng không khí thấp hơn nhiều.
- Nhu cầu nhiệt nhỏ hơn nếu nhiệt độ đun nóng không khí sấy giống nhau, trong đó sự
thay đổi di/dx xảy ra tương tự như máy sấy một cấp.

2.3.4 Máy sấy tuần hoàn

- Máy sấy tuần hoàn được sử dụng với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ sấy và
không khí sấy đi vào cần được giữ ở trạng thái ít bị thay đổi, tức là ít phụ thuộc vào điều
kiện thời tiết bên ngoài, khi đó không khí mới (không khí bên ngoài) được hỗn hợp với
một phần không khí sấy đi ra khỏi máy sấy
- Cân bằng hỗn hợp :
Đố
i với lượng không khí sấy : m
KKm
+ m
th
= m
KK
(2.6)

Đối với hàm ẩm : m
KKm
.X
1
+ m
th
.X
4
= m
KK
.X
2
(2.7)
Đối với năng lượng : m
KKm
.i
1
+ m
th
.i
4
= m
KKm
.X
2
(2.8)
- Cân bằng nhiệt lượng :


m
KKm
.i
1
+ Q = (m
KK
- m
th
).i
4
= m
KKm
.i
4


Q = m
KKm
.(i
4
- i
1
)
(3)

(2)

X
5,
X
3
’X
1
X
(3)
(1)
(2)
Q
i
(4)
sản phẩm
(1)

(4)
Hình 2.4 : Sơ đồ máy sấy tuần hoàn và biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị i-X
(2)
(3)
m
th
m
KKm
ϕ = 1
x = const

Xem chi tiết: Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm